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Improving circular economy by biogas plants: valorization of agricultural feedstocks

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Publication date
2022
Reading date
2022-11-30
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González Fermoso, Fernando
Jiménez-Rodríguez, A.
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Abstract
Anaerobic digestion is a biotechnological process operating at the boundary between of livestock effluent and agro-industrial byproducts management, bioenergy generation and food production. Anaerobic digestion is an efficient solution to mitigate greenhouse gas emissions and to improve the circular economy of the agri-food sector via renewable energy generation from biogas/biomethane utilization and nutrient recycling using digestate as soil improver. An inspiring example of how food, feed and biomethane production can be coupled comes from a set of practices developed in Italy under the initiative Biogasdoneright®, introducing the double cropping system along with digestate fertilisation and minimum tillage of soil. The “first crop” is grown to supply the food and feed sector, while the “second crop” is grown for biomethane production. More in particular, farmers introduce a second crop immediately following the first crop harvest, thereby producing additional feedstock for biomethane production on lands that would otherwise remain bare through the winter period. Biomethane is also produced using animal manure, lignocellulosic agricultural residues, and agro-industrial byproducts. For the application of the Biogasdoneright® model, the correct management of agricultural feedstock, the optimization of operational and biochemical parameters into the digesters, as well as the improvement of the global biological efficiency of the anaerobic digestion process are necessary. Starting from the presented challenges, the main goal of this PhD thesis is to assess biotechnological aspects to improve the anaerobic digestion of agricultural feedstock, generating additional knowledge to attain a fully sustainable and circular system to produce food, feed, and bioenergy. In Chapter 2 and Chapter 3, the cultivation of sorghum and triticale as promising second crops for biomethane production has been investigated. The several parameters affecting the methane yield per unit of cultivated area (methane hectare yield) such as the specific methane yield, the harvesting time, and the varieties of these crops has been studied. In Chapter 2, different sorghum phenotypes (forage, high-tonnage energy, sweet and grain with tall size) have been evaluated for biomethane production. In Chapter 3, nineteen varieties of triticale harvested at milk and dough development stages has been assessed for biomethane production. The lignocellulose in second crops, manures and agro-industrial byproducts acts as a barrier preventing anaerobic degradability. In Chapter 4, the effects on physical modifications, biomethane formation, and anaerobic degradability of agricultural feedstocks after different mechanical pretreatments have been studied. Four commercials mechanical pretreatment technologies (knife milling, hammer milling, extrusion, shredding + hydrodynamic cavitation) commonly found at full-scale biogas plants have been investigated, including their electrical consumptions. To reach environmental goals and to optimize economic output, biogas plants should be operated at high biological efficiency, obtaining high biomethane yield per reactor volume, with a fast anaerobic conversion of agricultural feedstock, and resulting into a well-digested material that will decrease greenhouse gases emissions associated with digestate storage. In Chapter 5, the monitoring of 16 full-scale biogas plants fed with different agricultural feedstocks has been carried out to identify important parameters leading to the lowest residual methane potential of digestate. Among such parameters, the concentration of essential trace elements (selenium, nickel, cobalt, molybdenum) in relation to the hydraulic retention time and the organic loading rate has been investigated. Other metals of environmental interest have been also monitored due to the importance of a safe agronomic utilization of digestate on soil.
La digestión anaerobia es un proceso biotecnológico cuya aplicación facilita el tratamiento y la gestión de residuos ganaderos y subproductos agroindustriales, a la vez que la generación de bioenergía y la producción de nutrientes. En particular, esta biotecnología permite reducir la emisión de gases de efecto invernadero y mejorar la economía circular del sector agroalimentario gracias a la generación de energía renovable en forma de biogás/biometano, así como el reciclado de nutrientes al utilizar el digestato como enmienda orgánica en la agricultura. Un buen ejemplo de cómo se pueden acoplar la producción de alimentos, piensos y biometano puede observarse en las actividades desarrolladas en Italia bajo la iniciativa Biogasdoneright®, que introduce el sistema de doble cultivo junto con la fertilización con digestato y una labranza mínima del suelo. En este sistema, el "primer cultivo" se destina al abastecimiento del sector alimentario y producción de piensos, mientras que el "segundo cultivo" se destina a la producción de biometano. En particular, el segundo cultivo se introduce inmediatamente después de la cosecha del primer cultivo, obteniéndose así una biomasa adicional para destinar a la producción de biometano en tierras que de otro modo habrían permanecido sin cultivar durante todo el periodo invernal. Así mismo, otras fuentes de biomasa orgánica del sector agroalimentario como el estiércol animal, y los subproductos agrícolas lignocelulósicos y agroindustriales pueden servir también para la generación de biometano. Para aplicar el modelo Biogasdoneright® es necesario tanto la correcta gestión de la biomasa agrícola, como la optimización de los parámetros operativos y bioquímicos en los digestores, y la mejora de la eficiencia biológica global del proceso de digestión anaerobia. En base a la situación y desafíos descritos, el objetivo principal de esta tesis de doctorado es evaluar los aspectos biotecnológicos que permiten mejorar la digestión anaerobia de biomasas agrícolas, desarrollando al mismo tiempo el conocimiento necesario para mejorar la sostenibilidad y la economía circular de la producción de alimentos, piensos y bioenergía. En los Capítulos 2 y 3, se ha investigado el uso de los cultivos de sorgo y triticale como segundos cultivos destinados a la producción de biometano. En particular, se han estudiado diversos parámetros operacionales que afectan al rendimiento de biometano por hectárea cultivado, tales como el rendimiento específico de biometano de la materia prima, el tiempo de cosecha, o las variedades de los cultivos. En el Capítulo 2, se han evaluado diferentes fenotipos de sorgo (sorgo forrajero, sorgo de pastoreo, sorgo dulce y sorgo de grano de gran tamaño) para la producción de biometano. En el Capítulo 3, se ha estudiado la producción de biometano a partir de 19 variedades de triticale cosechadas en las etapas de desarrollo del cereal correspondientes al estado lechoso y pastoso del grano. Los compuestos lignocelulósicos presentes en los segundos cultivos, así como el estiercol y los subproductos agroindustriales pueden limitar la biodegradabilidad anaerobia de dichos cultivos. En el Capítulo 4, se ha estudiado el efecto de distintos tratamientos mecánicos sobre las características fisicoquímicas, generación de biometano y biodegradabilidad anaerobia de distintos sustratos agrícolas. En particular, se han estudiado 4 tecnologías comerciales de pretratamiento mecánico (fresado con cuchillas, triturado con martillo, extrusión, triturado + cavitación hidrodinámica) comúnmente utilizadas en plantas de generación de biogás a escala industrial, evaluando también los consumos eléctricos de las mismas. Para alcanzar los objetivos medioambientales y optimizar la producción económica, las plantas de biogás deben funcionar con una alta eficiencia biológica, obteniendo un alto rendimiento de biometano por volumen de reactor, así como una rápida conversión de la biomasa agrícola, con el objetivo de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas con almacenamiento del digestato. En el Capítulo 5, se llevó a cabo el seguimiento de 16 plantas de biogás a escala real alimentadas con diferentes tipos de biomasa agrícola, identificándose los parámetros más relevantes para lograr reducir el potencial de metano residual del digestato. Entre tales parámetros, se ha investigado la concentración de oligoelementos esenciales (selenio, níquel, cobalto, molibdeno) en relación con el tiempo de retención hidráulica y la velocidad de carga orgánica. También se ha llevado a cabo el seguimiento de otros metales de interés ambiental debido a su importancia para una utilización agronómica segura del digestato.
Doctoral program
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Research projects
Description
Programa de Doctorado en Biotecnología, Ingeniería y Tecnología Química
Línea de Investigación: Tecnología Química y de Materiales
Clave Programa: DBI
Código Línea: 112
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